甘肅省西河縣城段漾水河綜合治理工程橡膠壩充排系統(tǒng)方案探討

孫軍平

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001)

甘肅省西河縣城區(qū)段漾水河綜合治理工程擬在漾水河城區(qū)段約4 km范圍的河道內(nèi)布置 10座橡膠壩,形成連續(xù)的景觀蓄水面,從而達(dá)到美化城市環(huán)境、提升城市品味的效果。充水枕式橡膠壩既要滿足立壩蓄水又要兼顧塌壩泄洪、且塌壩泄洪確保城市防洪安全是本工程實(shí)施的基本前提,因此橡膠壩充排水系統(tǒng)的方案選擇至關(guān)重要。

1 壩袋充排水方案

根據(jù)橡膠壩工程充排水方式,可供選擇方案有如下三種:

(1)方案一:動力抽排。布設(shè)泵站,采用動力抽水塌、立壩袋。

方案優(yōu)點(diǎn):傳統(tǒng)充排系統(tǒng),在同類已成工程中大量應(yīng)用,采用動力抽排、集中控制,方案成熟、運(yùn)行管理安全、方便、可靠。

方案缺點(diǎn):泵站運(yùn)轉(zhuǎn)需耗電、需修建泵房,一次性投資過大。

(2)方案二:自流充排方案。依托地形,通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)形成水頭差、完全依賴重力流實(shí)現(xiàn)壩袋塌、立充排水。

方案優(yōu)點(diǎn):該方案舍棄了布設(shè)充排泵站的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式,最大限度的簡化了充排水系統(tǒng)。

方案難點(diǎn):工程區(qū)的 10級壩袋間設(shè)計(jì)地形高差是否能滿足實(shí)現(xiàn)重力自流充壩塌壩的條件。

(3)方案三:動力與自流充排結(jié)合。布設(shè)泵站、塌壩排水時采用動力抽水塌壩,立壩采用河道引水重力流實(shí)現(xiàn)。

該方案與方案一基本相同,但壩袋充水采用重力自流,較方案一節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)。

對比以上三種方案優(yōu)缺點(diǎn),針對本工程橡膠壩級數(shù)多、地形落差大的特點(diǎn),從節(jié)約投資角度看方案二具有明顯優(yōu)勢,因此,首先對方案二做具體分析。

2 自流充排方案

2.1 壩袋塌壩排水

按排水至下一級壩后消力池和排水至左右岸污水管道內(nèi)兩種方案考慮進(jìn)行管路水力計(jì)算。

1)基本條件

(1)河道比降:漾水河天然設(shè)計(jì)河道比降為 5.45‰;

(2)壩袋設(shè)計(jì)參數(shù):壩高 2.2～3.0m,壩袋容積 500～900m3。

(3)參考《橡膠壩工程技術(shù)指南》中規(guī)定,國內(nèi)已建橡膠壩塌壩時間要求在 1～2 h之內(nèi),結(jié)合城區(qū)段防洪安全要求,本次設(shè)計(jì)塌壩排水時間≤1.5 h。

(4)設(shè)計(jì)河道內(nèi)蓄水最大深度區(qū)為壩前、與壩袋同高度,最小蓄水深度區(qū)為每級壩后為 0.2 m深度,均較壩底板高出0.2m。

(5)塌立壩管路長度均按到下一級壩址位置考慮。

2)自流塌壩排水計(jì)算成果表,見表 1。

表1 自流塌壩管道水力要素表

經(jīng)分析,當(dāng)采用管徑 DN 400時,各壩后排水位均小于壩址處河道 20年一遇洪水位,即排水管路無足夠的水頭實(shí)現(xiàn)自流。若要實(shí)現(xiàn)自流排出可采取兩種措施,即加粗排水管的管徑或選擇更遠(yuǎn)的下游出水口,經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算,按出口富裕水頭最小的 4#壩考慮,設(shè)計(jì)加粗排水管徑到 0.8 m,壩后出水水位1 581.78m,仍小于 20年一遇洪水位。若選擇更下游排水口,則增加了排水管道長度,從節(jié)約投資的角度看,這兩種做法均不經(jīng)濟(jì)。綜上述,選擇自流排水塌壩出水口至下游一級壩袋后的方案不具備可行性。

3)排水自流至兩岸污水管道

該方案考慮最大限度的利用現(xiàn)有出水措施,減少排水管路長度,從而達(dá)到節(jié)約投資、方便施工的目的。該方案實(shí)施的要點(diǎn)是:能否實(shí)現(xiàn)所有壩袋在規(guī)定的 1.5 h內(nèi)完全塌壩,同時要避免排污管內(nèi)沿途水流量不疊加,保證現(xiàn)有排污管道的過流排污能力。針對該問題,對設(shè)計(jì)排污管道的自身過流流速進(jìn)行計(jì)算。如果在確定的管徑、管材、坡降等條件下,管道內(nèi)的計(jì)算流速在壩袋塌壩 1.5 h內(nèi)的流程小于兩級壩袋之間的距離,則該方案可行,否則會由于沿途流量的疊加最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)沿途排污管道過流能力不足。

左右岸排污管道自身流速計(jì)算:采用曼寧公式,結(jié)果見表2。

表2 左右岸排污管道設(shè)計(jì)流速表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知,在塌壩必須的 1.5 h內(nèi),按排污管的設(shè)計(jì)流速,污水最小流程達(dá) 7.9 km,遠(yuǎn)超過總蓄水區(qū)的4 km長度,所以沿途各壩袋的塌壩水流必定疊加。目前左右岸排污管道管徑設(shè)計(jì)均按現(xiàn)有排污流量做一定加大流量后確定,根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,當(dāng)末端管徑為DN 800時,其最大過流能力為 0.81m3/s,若再疊加塌壩流量,按左右岸各排 5個壩均攤考慮,平均單岸流量為 0.573m3/s,疊加污水后總流量達(dá)到 1.383m3/s,在目前管材、設(shè)計(jì)管道坡降確定的條件下,經(jīng)計(jì)算需要排污管管徑為 DN1 000,才能滿足過流要求。

綜上述計(jì)算結(jié)果,本次設(shè)計(jì)在盡量避免增加排污管徑的前提下,根據(jù)業(yè)主對河道治理工程總體實(shí)施的先后順序,按排污管過流能力,考慮僅將前 4座壩袋塌壩水排入污水管道。對于其余 6座壩袋塌壩排水,由于無實(shí)現(xiàn)自流排水的條件,所以設(shè)計(jì)仍需按動力抽排方案設(shè)計(jì)。

2.2 壩袋立壩充水

根據(jù)地形和水源條件,首先必須對 1#壩就近建蓄水池引河道水抽水立壩,形成對下一級壩袋立壩滿水時足夠的水頭差。其余壩袋均按引取上一級壩前河道蓄水進(jìn)行充壩管路水力計(jì)算。

計(jì)算條件:

上水位確定:為上一級壩前蓄水位,因壩袋引取水量遠(yuǎn)小于庫區(qū)蓄水量、且考慮河道來水補(bǔ)給而考慮恒定不變。

下水位確定:為下一級壩袋充滿時壩袋自身高度乘內(nèi)壓比,設(shè)計(jì)內(nèi)壓比均為 1.3倍。設(shè)計(jì)成果見表 3。

表3 自流充壩管道水力要素表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,按充壩時間為15h考慮,充水管道口徑為 DN 200設(shè)計(jì)時,除 5#壩外其余均能滿足立壩水頭要求,且出水口仍有一定富裕水頭。將 5#壩充水管路調(diào)為 DN 300管徑后,充水時間滿足設(shè)計(jì)15h的要求。所以,2#-10#壩袋立壩完全能采用自流充水方案實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

根據(jù)以上分析論證,在不超過左右岸排污管道的過流能力的前提下,方案二:自流充排方案可以實(shí)現(xiàn) 1#-4#壩袋的自流塌壩排水,并滿足 2#-10#壩袋的立壩充水。但 1#壩充壩、5#-10#壩袋塌壩排水均應(yīng)結(jié)合方案一,即采用動力抽水方式,才能滿足所有壩袋充排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此推薦方案三,即動力與自流充排相結(jié)合的措施作為實(shí)施方案。

[1]GB/T50265-97,泵站設(shè)計(jì)規(guī)范(S).北京:中國計(jì)劃出版社,1997.

[2]高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南(第二版)(M).北京:中國水利水電出版社.

[3]陜西省水電設(shè)計(jì)院,甘肅省西和縣漾水河城區(qū)段生態(tài)環(huán)境治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告,2008-12.